(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの積層方向の温度分布を均一化することにより、発電の効率化を図った燃料電池を提供する。【解決手段】発電セル５とセパレータ８を交互に積層すると共に、当該積層体の両端に一対の端板８Ａ、８Ｂを配して燃料電池スタック１を構成し、これら端板８Ａ、８Ｂを介して電力を取り出すようにする。前記一対の端板８Ａ、８Ｂの内の少なくとも一方の端板の電気抵抗を前記セパレータ８の電気抵抗より大きくし、電力取り出しの際に端板に発生するジュール熱により燃料電池スタック１端部の発電セル５を昇温する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電セルとセパレータを交互に積層すると共に、当該積層体の両端に一対の端板を配して燃料電池スタックを構成し、これら端板を介して電力を取り出すように構成した燃料電池において、
前記一対の端板の内の少なくとも一方の端板の電気抵抗を前記セパレータの電気抵抗より大きくしたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
発電セルとセパレータを交互に積層すると共に、当該積層体の両端に一対の端板を配して燃料電池スタックを構成し、これら端板を介して電力を取り出すように構成した燃料電池において、
前記一対の端板の内の少なくとも一方の端板は、少なくともその一部を前記セパレータの材料より抵抗率の大きい材料により構成したことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
抵抗率の大きい前記端板の材料としてＮｉ−２０Ｃｒを用いることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電セルとセパレータを交互に積層したスタック構造を有する燃料電池に関し、特に、燃料電池スタックにおける積層方向の温度分布を均一化することにより発電の効率化を図った燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体酸化物形燃料電池は、第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。現在、この固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、および平板積層型の３種類が提案されており、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質を空気極層と燃料極層との間に挟んだ積層構造を有する。この積層体から成る発電セルとセパレータを交互に積層することにより所定出力の燃料電池スタックが構成できる。
【０００３】
発電セルには、空気極側に酸化剤ガスとしての酸素（空気）が、燃料極側に燃料ガス（Ｈ２  、ＣＯ、ＣＨ４  等）が供給される。空気極と燃料極は、ガスが固体電解質との界面に到達することができるように、いずれも多孔質とされている。空気極側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で、空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ２−）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ２  Ｏ、ＣＯ２  等）を生じ、燃料極に電子を放出する。この電子を別ルートの外部回路にて電力として取り出す。
【０００４】
燃料に水素を用いた場合の電極反応は次のようになる。
空気極：  １／２  Ｏ２  ＋          ２ｅ−    →  Ｏ２−
燃料極：          Ｈ２  ＋          Ｏ２−    →  Ｈ２  Ｏ＋２ｅ−  
全体  ：          Ｈ２  ＋  １／２  Ｏ２      →  Ｈ２  Ｏ
【０００５】
ところで、特に平板積層型の燃料電池スタックでは、発電セルの積層方向において燃料電池スタック両端付近の温度が中段部分に比べて極端に低下するという傾向が見られる（図３参照）。これは、燃料電池スタックの両端を除く部分は各発電セルが別の発電セルにより上下で挟まれる構造であるため、運転時の発電セルのジュール熱が外に発散せずに、セル内部に蓄積され易くなっており、一方、燃料電池スタック両端部の発電セルは各々片面がモジュール内雰囲気に曝されているため熱損失が大きく、中央部分の発電セルに比べて昇温されにくいことに起因している。
温度が低い部分の発電セルは、高温部分の発電セルに比べて電極反応が活発に行われないため、発電性能（電流密度）が低下している。
【０００６】
燃料電池スタックの積層方向における温度分布の均一化を図るための技術として特許文献１が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭６０−２５４５６８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
多数の発電セルを直列に接続して構成される燃料電池スタックでは、発電セルの積層方向に上記したような両肩下がりの温度分布が生じていると、燃料電池の発電性能が低温部の発電セルの発電性能で制限されることになり、よって、燃料電池スタック中段部分の発電セルに高い発電性能が得られていても総合的にみると性能向上に与らない全く無意味な発電となってしまい、この温度分布の不均一が発電効率の低下の要因となっていた。
【０００９】
そこで、本発明は、燃料電池スタックの積層方向の温度分布を均一化することにより、発電の効率化を図った燃料電池を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、発電セルとセパレータを交互に積層すると共に、当該積層体の両端に一対の端板を配して燃料電池スタックを構成し、これら端板を介して電力を取り出すように構成した燃料電池において、前記一対の端板の内の少なくとも一方の端板の電気抵抗を前記セパレータの電気抵抗より大きくしたことを特徴としている。
【００１１】
また、請求項２に記載の本発明は、発電セルとセパレータを交互に積層すると共に、当該積層体の両端に一対の端板を配して燃料電池スタックを構成し、これら端板を介して電力を取り出すように構成した燃料電池において、前記一対の端板の内の少なくとも一方の端板は、少なくともその一部を前記セパレータの材料より抵抗率の大きい材料により構成したことを特徴としている。
【００１２】
また、請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載の燃料電池において、抵抗率の大きい前記端板の材料としてＮｉ−２０Ｃｒを用いることを特徴としている。
【００１３】
ここで、請求項１または請求項２の構成では、電気抵抗の大きい燃料電池スタックの端部は他の部分に比べて抵抗損による発熱量（ジュール熱）が大であるため、燃料電池スタックの端部をこのジュール熱によって積極的に昇温することができる。これにより、燃料電池スタックの積層方向の温度分布は均一化され、効率的な発電が可能となる。
【００１４】
また、一般的にセパレータや端板の材料としてはステンレ鋼、ニッケル基合金、クロム基合金等の金属材が使用されているが、Ｎｉ−２０Ｃｒはこれらの金属材よりも抵抗率が大きく、且つ、耐熱性に優れていることから、請求項３の構成のように、このＮｉ−Ｃｒ系合金を端板に用いることが好ましい。
尚、端板はこのＮｉ−Ｃｒ系合金による単板で構成しても良く、また、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金等による単板にＮｉ−Ｃｒ系合金で成る抵抗板を重ね合わせて接合することにより構成しても良い。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図１に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部構成を示し、図２は本発明に係る端板の構成を示している。
【００１６】
図１中、符号１は燃料電池スタックを示し、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層（酸化剤極層）４を配した発電セル５と、燃料極層３の外側の燃料極集電体６と、空気極層４の外側の空気極集電体（酸化剤極集電体）７と、各集電体６、７の外側のセパレータ８を順番に積層した構造を有する。
【００１７】
ここで、固体電解質層２はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層３はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４はＬａＭｎＯ３  、ＬａＣｏＯ３  等で構成され、燃料極集電体６はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体７はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ８はステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金等で構成されている。
【００１８】
セパレータ８は、発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に反応ガスを導入する機能を有するもので、燃料ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の燃料極集電体６に対向する面のほぼ中央部から吐出させる燃料通路１１と、酸化剤ガス（空気）をセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の空気極集電体７に対向する面から吐出させる酸化剤通路１２を有している。
但し、燃料電池スタック１両端のセパレータ８（８Ａ、８Ｂ）は、燃料通路１１または酸化剤通路１２の何れか一方のみを有することから、これらを他のセパレータ８と区別して特に端板８Ａ、端板８Ｂと呼んでいる。本実施形態では、端板８Ａは燃料通路１１のみを有し、端板８Ｂは酸化剤通路１２のみを有する。
【００１９】
また  図１に示すように、燃料電池スタック１の側方には、各セパレータ８および端板８Ａの燃料通路１１に燃料接続管１３を通して燃料ガスを供給する燃料マニホールド１５と、各セパレータ８および端板８Ｂの酸化剤通路１２に酸化剤接続管１４を通して酸化剤ガス（空気）を供給する酸化剤マニホールド１６とが、発電セル５の積層方向に延在して設けられている。
【００２０】
これら、燃料電池スタック１や各マニホールド１５、１６を断熱材等の保温用部材を付装した筒状のハウジング（図示せず）内に収納してモジュール化することによって、固体酸化物形燃料電池が構成される。
燃料電池からの電力の取り出し（電流出力）は、上記した一対の端板８Ａ、８Ｂを介して外部回路（負荷）を接続することにより可能であり、例えば、外部接続用に各端板８Ａ、８Ｂの中央より図示しない一対の電極端子をハウジングの外に突出させる構造とすることができる。
【００２１】
本実施形態において、固体酸化物形燃料電池は、発電セル５の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造とされており、運転時には、燃料通路１１および酸化剤通路１２を通してセパレータ８や端板８Ａ、８Ｂの略中心部から発電セル５に向けて供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを、発電セル５の外周方向に拡散させながら燃料極層３および空気極層４の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった余剰ガス（排ガス）を発電セル５の外周部から外側に自由に放出するようになっている。
【００２２】
ところで、特に平板積層型の燃料電池スタックでは、発電セルの積層方向において燃料電池スタック両端付近の温度が中段部分に比べて極端に低下するという傾向が見られ、これが電池性能に大きく影響していることは従来技術の欄で述べた通りである。
【００２３】
このような不都合を解決するため、本発明では、燃料電池スタック両端に配置される端板８Ａ、８Ｂの内の少なくとも一方の端板をセパレータ８の材料より抵抗率の大きい金属材料で構成し、電力取り出しの際に高抵抗の端板に発生する高温のジュール熱によって燃料電池スタック端部の発電セル５を積極的に加熱するように構成した。
このように、中段部分に比べて温度の低い燃料電池スタックの端部をジュール熱で昇温することにより積層方向の温度分布は均一化され、効率的な発電が可能となる。加えて、端板を高温に保つことにより、燃料電池スタック１の最外側の発電セル５からの熱損失を防止することができる。
また、燃料マニホールド１５や酸化剤マニホールド１６からの燃料ガスおよび酸化剤ガスがジュール熱で加熱された端板８Ａの燃料通路１１と端板８Ｂの酸化剤通路１２を流通する過程で発電反応に適した温度に熱交換されてそれぞれ最外側の発電セル５に供給されるため、その部分の発電セル５の発電効率を向上できる。
尚、本構成では、端板８Ａ、８Ｂでの電力損失を加味しても温度分布の均一化により得られる発電効果が大となるように、端板に用いる高抵抗材料（即ち、端板の電気抵抗）を選定する必要がある。
【００２４】
本実施形態では、セパレータ８に用いられるステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金等より抵抗率が大きく、且つ、耐熱性の優れる金属材料として、例えば、Ｎｉ−２０Ｃｒを用いて端板を構成した。
尚、端板８Ａ、８Ｂは、図１のように、このＮｉ−Ｃｒ系合金による単板で構成しても良く、図２に示すように、セパレータ８と同じ金属材料による単板の片面にこのＮｉ−Ｃｒ系合金で成る抵抗板２０を重ね合わせて接合した層構造としても良い。また、層構造は、上記金属単板と抵抗板２０を複数用いた多層構造としても良く、各金属板同士の接合は熱と荷重を同時に加えて行う公知の熱圧着法を用いることができる。
何れの構成においても、高抵抗金属材料での抵抗損を発電セルの昇温用熱エネルギーとして有効に使用するものである。
【００２５】
図３は運転時の燃料電池スタック１における積層方向の温度分布を示しており、実線は従来の場合、破線は本発明の構成によるものである。
【００２６】
図３に示すように、従来型では、燃料電池スタック１の積層方向の温度分布が両肩下がりの特性となっているが、本発明のように燃料電池スタックの低温部分（端部）を昇温する構成では、高温部と低温部の温度差を少なくして積層方向の全域に亘ってほぼ均一な温度分布を得ることができ、これにより、発電の効率化が図れる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池スタックの端部に位置する一対の端板の内の少なくとも一方の端板の電気抵抗をセパレータの電気抵抗より大きくしたので、電力取り出しの際、電気抵抗の大きい燃料電池スタックの端部が他の部分に比べて抵抗損による発熱量が大となるため、燃料電池スタック端部の発電セルをこのジュール熱によって積極的に昇温することができる。これにより、燃料電池スタックの積層方向の温度分布は均一化され、効率的な発電が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部概略構成を示す断面図。
【図２】本発明に係る端板の構成を示す断面図。
【図３】燃料電池スタックにおける発電セルの積層方向の温度分布を示す図。
【符号の説明】
１  燃料電池スタック
５  発電セル
８  セパレータ
８Ａ、８Ｂ  端板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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